全熔透GTAW熔池形态数值模拟精度的改进

论文摘要

建立全熔透GTAW熔池形态的数值分析模型，不断改进和提高数值模拟的精度，是当前焊接学科国际前沿的重要研究领域。国内外研究者在GTAW焊接熔池形态的数值模拟研究方面开展了多年的研究工作，并取得了很大的进展。但是，仍然存在许多重要问题有待于进一步解决。其中，现有模型存在三个问题：(1)计算出的熔池尾部的后拖小于实测结果；(2)采用的熔池表面变形方程不够完备，熔池表面变形的预测值有较大误差；(3)模型不具备对熔透熔池产生塌陷和焊穿缺陷的预测／判断功能。因此，围绕上述三个方面继续深入研究，进一步改进和提高熔池形态数值模拟的精度，对于焊接工艺优化设计和焊接过程智能控制，都具有重要的理论意义和工程实用价值。 建立了全熔透GTAW熔池形态的数值分析模型，涉及到了GTAW焊接的各种影响因素(电弧运动、全熔透、三维、瞬态、热场、流场、上／下表面变形、相变潜热、曲面边界)。模型中充分注意了以下几个方面的问题：(1)考虑了电弧运动对电弧热流和电弧压力分布的影响，给出了电弧热流和电弧压力双椭圆分布模式的数学表达式；(2)给出了工件部分熔透和工件全熔透情况下熔池自由表面变形方程的推导过程，论证了本文给出的熔透熔池表面变形方程的完备性；(3)采用液体分数法处理相变潜热；(4)采用贴体曲线坐标系处理变形的曲面边界条件，并推导出了贴体曲线坐标系中的控制方程组及其定解条件。在此基础上，给出了控制方程组和表面变形方程组的有限差分离散化形式，采用了附加源项法处理能量和动量边界条件；设计算法以及编写和调试数值计算程序，程序中采用了过程和模块化的结构设计，增强了程序的可读性和可维护性，提高了程序的灵活性和适用性。 利用本文建立的模型和设计的数值计算程序，对GTAW焊接不锈钢板时的焊接温度场、熔池流场和熔池几何形状的动态变化过程进行了数值模拟。研究结果表明：采用双椭圆分布模式并正确选取热源在工件上的计算区域，同时考虑相变潜热的影响，使计算得到的熔池上表面形状与试验测得的熔池上表面形状吻合

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 主要符号表
• 第一章 绪论
• 1.1 选题意义
• 1.2 研究现状
• 1.2.1 焊接热过程数值分析的研究现状
• 1.2.2 GTAW焊接热过程的数值分析现状
• 1.2.3 与焊接热过程数值分析有关的商用软件
• 1.3 存在的问题
• 1.3.1 熔池形状
• 1.3.2 表面变形
• 1.3.3 熔池塌陷
• 1.4 本文的主要研究内容
• 第二章 数学模型
• 2.1 热源双椭圆分布模式
• 2.1.1 电弧热流双椭圆分布模式
• 2.1.2 电弧压力双椭圆分布模式
• 2.2 熔池自由表面的变形
• 2.2.1 工件未全熔透时熔池上表面的变形
• 2.2.2 工件全熔透时熔池上、下表面的变形
• 2.3 相变潜热
• 2.4 直角坐标系转换为贴体曲线坐标系
• 2.5 贴体曲线坐标系中的控制方程组与定解条件
• 2.5.1 贴体曲线坐标系中的控制方程组
• 2.5.2 贴体曲线坐标系中的定解条件
• 2.6 本章小结
• 第三章 数值分析方法与程序设计
• 3.1 SIMPLEC算法
• 3.1.1 非均匀交错网格系统
• 3.1.2 时间步长
• 3.2 方程的离散化
• 3.2.1 控制方程组的离散化
• 3.2.2 边界条件的处理
• 3.2.3 表面变形方程的离散化
• 3.3 程序设计
• 3.4 试件物性参数和试验介绍
• 3.5 本章小结
• 第四章 熔池热场和流场的数值模拟结果与实验验证
• 4.1 程序中热源作用区域的设计
• 4.2 热场的动态变化
• 4.3 流场的动态变化
• 4.4 熔池形状的动态变化
• 4.5 实验验证
• 4.6 本章小结
• 第五章 熔池表面变形的数值模拟结果与实验验证
• 5.1 熔池表面变形的动态演变
• 5.2 焊接电流对熔池表面变形的影响
• 5.3 表面变形与工件熔透程度之间的相关性
• 5.4 结果验证
• 5.5 本章小结
• 第六章 GTAW熔透熔池塌陷倾向的预测
• 6.1 熔透熔池的受力分析
• 6.1.1 电弧力
• 6.1.2 表面张力
• 6.1.3 大气压力
• 6.1.4 熔池重力
• 6.1.5 固液界面对熔池的支撑力
• 6.1.6 剪切力
• 6.2 塌陷判据与数值算法
• 6.2.1 熔池塌陷判据
• 6.2.2 数值计算方法
• 6.3 结果与讨论
• 6.3.1 可稳定存在熔池中力的动态变化与组成
• 6.3.2 塌陷熔池中力和表面变形的动态演变
• 6.3.3 熔透熔池塌陷倾向的预测
• 6.4 结果验证
• 6.4.1 对比验证
• 6.4.2 实验验证
• 6.5 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表和撰写的论文
• 攻读博士学位期间参与的科研项目
• 学位论文评阅及答辩情况表